建筑消能、減震技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比及應(yīng)用探討

景凱宇，成 芳

（赤峰學(xué)院 建筑與機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 前言

對(duì)于減小地震對(duì)建筑物的影響，通常以抗震設(shè)計(jì)方法為主.我國(guó)采用的是“兩階段”設(shè)計(jì)方法，在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)按彈性行為進(jìn)行設(shè)計(jì)，依靠自身剛度和強(qiáng)度抵抗地震反應(yīng)；在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)按彈塑性階段進(jìn)行設(shè)計(jì)，依靠結(jié)構(gòu)塑性變形與自身延性抵抗地震作用.此設(shè)計(jì)方法是以保證人員安全為基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在大多數(shù)情況下能滿足實(shí)際需求.但是，對(duì)于一些特殊建筑如：保證人員安全與緊急救援的生命線工程、高精度技術(shù)加工設(shè)備和核工業(yè)設(shè)備，這種設(shè)計(jì)理念是不滿足要求的.

另外，隨著居住要求的提高，裝修成本逐年提高，部分建筑的內(nèi)部裝修費(fèi)用已經(jīng)超過(guò)了結(jié)構(gòu)的土建投入，在此基礎(chǔ)上如果仍然按“兩階段”設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，建筑物的震后修復(fù)成本是驚人的.因此，不能單純從建筑自身抗震方面解決抗震問(wèn)題，對(duì)于特殊建筑需要從地震波向建筑傳播階段就開(kāi)始考慮抗震問(wèn)題，減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，才能滿足以上亟待解決的問(wèn)題.

消能、減震主要研究如何從源頭減小地震反應(yīng)，通過(guò)隔離、抵消等方法降低地震對(duì)建筑物的破壞作用，從而保證建筑內(nèi)設(shè)備、人員等的安全.消能減震設(shè)備一般情況下會(huì)提高建筑成本，而我國(guó)由于建國(guó)初期經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱，從上世紀(jì)80年代才開(kāi)始關(guān)注消能、減震技術(shù)，發(fā)展時(shí)間較短，隨著近些年基礎(chǔ)設(shè)施的迅速發(fā)展，我國(guó)在此方面也有了長(zhǎng)足的發(fā)展.本文參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，將消能減震大體分為三種途徑：1.隔震系統(tǒng)；2.消能系統(tǒng)；3.TMD系統(tǒng)，并將其加以對(duì)比.

2 各種消能、減震技術(shù)特點(diǎn)的對(duì)比

2.1 隔震減震

隔震措施的原理是在房屋基礎(chǔ)、底部或下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置由橡膠隔震支座和阻尼裝置等部件組成的具有整體復(fù)位功能的隔震層，用以延長(zhǎng)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的自振周期，減少輸入上部結(jié)構(gòu)的水平地震作用，達(dá)到預(yù)期防震要求.這其中的作用效果由兩方面組成，一方面是隔震層具有較大的阻尼，從而使地震作用的衰減大于無(wú)隔震建筑；另一方面，隔震層具有很小的側(cè)移剛度，在傳遞振動(dòng)的過(guò)程中大大延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)物的基本周期，使結(jié)構(gòu)加速反應(yīng)進(jìn)一步降低.

隔震裝置主要由隔震器和阻尼器兩部分組成.常見(jiàn)的隔震器有：（1）疊層橡膠支座，它是由多層橡膠和多層鋼板或其他材料交替疊置結(jié)合而成的一種豎向承載力高、水平剛度小、水平側(cè)移容許值較大的裝置；（2）滑動(dòng)支座，它是在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置一層滑移構(gòu)造層，在小震或風(fēng)荷載作用時(shí)，靜摩擦力使結(jié)構(gòu)固結(jié)于基礎(chǔ)上，大震時(shí)，結(jié)構(gòu)水平滑動(dòng)，減小地震作用，并以其摩擦阻尼耗散地震能量；（3）滾動(dòng)支座，是利用高強(qiáng)合金制成的滾珠（或滾軸）涂以防銹或防滑涂層后置于上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間，地震作用下以滾珠或滾軸的滾動(dòng)來(lái)達(dá)到隔震的目的.阻尼器是通過(guò)局部的阻尼消耗傳遞到建筑物上的振動(dòng)能量的裝置，常見(jiàn)的阻尼器有：（1）金屬屈服阻尼器；（2）粘滯阻尼器，由汽缸及其內(nèi)部的液壓硅油組成，利用活塞頭左右的壓力差，使硅油通過(guò)小孔和活塞與缸體的空隙，從而產(chǎn)生阻尼力；（3）粘彈性阻尼器，它主要由粘彈性材料和約束鋼板組成，連接的鋼板再與結(jié)構(gòu)構(gòu)件相連.

隔震裝置有一定的局限性的，對(duì)于堅(jiān)硬場(chǎng)地的減震效果比較理想，而對(duì)于軟弱場(chǎng)地效果相對(duì)較差，而且對(duì)于豎向振動(dòng)隔震措施通常沒(méi)有減震效果，對(duì)于長(zhǎng)周期水平振動(dòng)還存在共振的危險(xiǎn)性.另一方面，由于隔震結(jié)構(gòu)是預(yù)先安裝在建筑物相應(yīng)部位的，其阻尼與側(cè)移剛度是基本固定的，對(duì)于不同的地震波，其隔震效果也就有所不同.由結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)知識(shí)可知，只有隔震構(gòu)件阻尼在臨界阻尼附近下，建筑物的振動(dòng)才能有較好的衰減效果這也使其應(yīng)用受到了一定的限制.在工程應(yīng)用當(dāng)中，如何合理選擇或優(yōu)化摩擦系數(shù)和復(fù)位剛度，如何保持摩擦系數(shù)長(zhǎng)期不變是提高隔震效果和性能可靠度的難點(diǎn).

2.2 消能減震

消能減震的原理是通過(guò)在房屋結(jié)構(gòu)的某些部位設(shè)置的消能（阻尼）裝置（或元件），通過(guò)消能（阻尼）裝置產(chǎn)生的彈塑性滯回變形來(lái)耗散或吸收地震輸入結(jié)構(gòu)中的能量，以減少主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，從而避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞或倒塌.

常見(jiàn)的消能裝置有：（1）消能阻尼器，當(dāng)建筑物發(fā)生相對(duì)相對(duì)位移時(shí)，裝置會(huì)產(chǎn)生較大阻尼，從而發(fā)揮消能作用；（2）消能支撐，是預(yù)先安裝在結(jié)構(gòu)局部的一些支撐結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)發(fā)生形變或位移時(shí)，先于結(jié)構(gòu)主體發(fā)生屈服或產(chǎn)生摩擦阻尼，以達(dá)到保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的目的.

消能措施的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉，易于推廣應(yīng)用，不但可以用于新建筑物的抗震防護(hù)，還能用于已有建筑物提高其抗震能力.

但其應(yīng)用也有一定的局限性，對(duì)于脆性變形較小的結(jié)構(gòu)，由于其破壞前的變形相對(duì)較小，而消能結(jié)構(gòu)的阻尼是與位移或速度相關(guān)的，結(jié)果導(dǎo)致其消能減震作用得不到充分發(fā)揮.在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，消能構(gòu)建的屈服強(qiáng)度的設(shè)計(jì)也是難點(diǎn)，雖然屈服極限可調(diào)，但一旦確定就不能更改.如果選擇的太高，在中小地震中將起不到阻尼耗能的作用；如果選的過(guò)低在大地震作用下變形將明顯增大，耗能能力相應(yīng)減弱.對(duì)于螺栓組成的阻尼器，如何使緊固力在使用期內(nèi)保持不變也是比較困難的.今后應(yīng)用過(guò)程中需要突破的難點(diǎn)使如何使消能構(gòu)件適應(yīng)不同地震強(qiáng)度的消能要求.

2.3 TMD系統(tǒng)

TMD系統(tǒng)，又叫調(diào)諧質(zhì)量阻尼器系統(tǒng) (tuned mass damper，TMD），是在建筑物（主結(jié)構(gòu)）設(shè)置一個(gè)與結(jié)構(gòu)本身自振周期完全相同的結(jié)構(gòu)（次結(jié)構(gòu)），通常是在頂層設(shè)置懸掛的金屬重球，當(dāng)結(jié)構(gòu)偏離平衡位置時(shí)，重球系統(tǒng)會(huì)因此產(chǎn)生一個(gè)相反的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)而給建筑物一個(gè)等周期的回復(fù)力，回復(fù)力的存在將減少振動(dòng)持續(xù)的時(shí)間和幅度.

此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于建造但是無(wú)形當(dāng)中大幅增加了結(jié)構(gòu)的自重，安裝TMD系統(tǒng)也要有較大的空間供其進(jìn)行擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，也就增加了整體的建造成本.為了克服這一不足，新型的TMD系統(tǒng)利用結(jié)構(gòu)本身的屋頂作為TMD質(zhì)量塊、用基礎(chǔ)隔震中采用的疊層橡膠支座和阻尼器代替TMD中的彈簧阻尼器.這樣就不需要增加額外質(zhì)量，屋頂?shù)目臻g也不會(huì)被占用，也不需要增加額外的空間了.

TMD的減震效果主要取決于質(zhì)量比、頻率比和阻尼比，由于后面兩個(gè)參數(shù)在振動(dòng)過(guò)程中是可變的，因此很難使系統(tǒng)在各個(gè)階段都有最佳的減震效果.今后可以著眼于開(kāi)發(fā)新型實(shí)用的機(jī)構(gòu)，發(fā)展定型產(chǎn)品，研究配套的計(jì)算方法和構(gòu)造措施，擴(kuò)大其在實(shí)際工程中的應(yīng)用，充分發(fā)揮減震效果.而且此系統(tǒng)相對(duì)推廣較難，每個(gè)TMD系統(tǒng)只能針對(duì)具體的建筑，對(duì)于降低成本和積累經(jīng)驗(yàn)都難度較大.

3 發(fā)展前景展望

綜上可見(jiàn)，任何一種隔震消能方式都不是萬(wàn)能的，需要因地制宜選用適合具體建筑結(jié)構(gòu)的消能減震形式并結(jié)合當(dāng)?shù)氐姆e累的地震數(shù)據(jù)才能最好的發(fā)揮效果.各種隔震消能方式相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，結(jié)合應(yīng)用能取得較好的效果.例如層間隔震技術(shù)，它通過(guò)在樓層間設(shè)置隔震裝置，一方面減小了隔震裝置上部重要結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)；另一方面通過(guò)合理設(shè)計(jì)、計(jì)算，令上部結(jié)構(gòu)的自振周期與結(jié)構(gòu)整體的自振周期重合使其發(fā)揮類似TMD系統(tǒng)中金屬重球的作用，通過(guò)上部結(jié)構(gòu)提供的回復(fù)力進(jìn)一步減小地震影響.此種結(jié)合不但能獲得良好的隔震消能效果，同時(shí)彌補(bǔ)了TMD系統(tǒng)占地面積大的不足起到事半功倍的作用.

在未來(lái)的發(fā)展中，還應(yīng)該重視理論與實(shí)踐的結(jié)合.建議首先應(yīng)從政策層面著手，提高現(xiàn)有規(guī)范的要求使得隔震消能成為一種強(qiáng)制要求，用于抵消由于技術(shù)不成熟、建設(shè)設(shè)計(jì)成本大幅提高使業(yè)主產(chǎn)生的積極性不高的情緒，推動(dòng)技術(shù)應(yīng)用，在應(yīng)用過(guò)程中積累經(jīng)驗(yàn)完善技術(shù).此外，還要掃清政策障礙.例如在高層隔震體系設(shè)計(jì)中，隔震層的受拉問(wèn)題是設(shè)計(jì)重點(diǎn).如果想在設(shè)計(jì)當(dāng)中避免傾覆力矩使隔震支座受拉，應(yīng)遵循柱距要大，抗震墻要整，抗震墻盡量居中等要求，而這與抗震規(guī)范中要求抗震墻分散布置在四周以控制結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)向沖突.希望未來(lái)能將規(guī)范做出修改或進(jìn)一步細(xì)化，避免這種技術(shù)應(yīng)用中尷尬情況.其次，在應(yīng)用的過(guò)程中要推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，具體體現(xiàn)在：（1）裝置標(biāo)準(zhǔn)化，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化使得工程經(jīng)驗(yàn)可以復(fù)制、推廣，同時(shí)也能降低生產(chǎn)和施工成本，推進(jìn)技術(shù)在實(shí)際工程應(yīng)用；（2）標(biāo)準(zhǔn)化以后，積累的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和觀察資料可以為今后的技術(shù)研發(fā)和改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持，促進(jìn)技術(shù)完善升級(jí).

有了以上兩步作為基礎(chǔ)，根據(jù)應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)可以進(jìn)一步提高技術(shù)的成熟度.在材料方面，力求尋找更經(jīng)濟(jì)，阻尼可控的適應(yīng)振動(dòng)范圍更廣的阻尼的材料，提高技術(shù)對(duì)于不同震級(jí)、不同地震波的消能作用范圍.在技術(shù)應(yīng)用方面，通過(guò)觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)改進(jìn)技術(shù)使其能在實(shí)際工程中發(fā)揮效果.2008年在日本巖手縣地震中觀測(cè)到了豎直加速度有4000伽(GAL)之多，這表明對(duì)于某些離震源較近的地震，豎向地震動(dòng)的破壞能力不能小覷，因此對(duì)于地震高發(fā)區(qū)，豎向隔震也要引起足夠的重視.應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)行3D隔震設(shè)計(jì)，即增加豎向隔震裝置.

4 結(jié)語(yǔ)

總體來(lái)說(shuō)，隔震減震技術(shù)是隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和超高層建筑物的迅猛發(fā)展而突飛猛進(jìn)的，但在發(fā)展過(guò)程中還是遇到了一些問(wèn)題，如能突破這些瓶頸必將有更廣闊的應(yīng)用空間.另外，由于筆者的收集資料和個(gè)人水平有限，難免有疏漏和偏頗之處，希望各位同仁指正.